BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN VĂN TÂM

HỆ THỐNG NHẬN DẠNG SỰ CỐ TRÊN
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN SỬ DỤNG
MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO ÁP DỤNG
TRONG CÔNG TY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 4

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã chuyên ngành: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp và Công ty Truyền tải
điện 4 tại TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học

: Tiến sĩ Nguyễn Tấn Lũy

Người phản biện 1

: Tiến sĩ Phạm Công Thành

Người phản biện 2

: Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Sơn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường
Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 26 tháng 04 năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Mai Thăng Long

- Chủ tịch Hội đồng

2. TS. Phạm Công Thành

- Phản biện 1

3. TS. Nguyễn Ngọc Sơn

- Phản biện 2

4. TS. Nguyễn Trọng Tài

- Ủy viên

5. TS. Trần Minh Chính

- Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ



BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Văn Tâm

MSHV

: 16083361

Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1976

Nơi sinh

: tỉnh Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã chuyên ngành : 60520203

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Hệ thống nhận dạng sự cố trên đường dây truyền tải điện sử dụng mạng thần kinh
nhân tạo áp dụng trong Công ty Truyền tải điện 4.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu những kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước các phương pháp nhận
dạng sự cố.

- Thiết kế xây dựng giải thuật cho thuật toán nhận dạng dùng mạng nơ – ron để
phát hiện sự cố, định vị vị trí xảy ra sự cố đối với cụm lưới điện 220kV thực tế
đang vận hành với qui mô lưới điện khảo sát cấp nguồn từ 5 nguồn phát, 11
thanh cái và 12 đường dây ngắn và dài.
- Ứng dụng phần mềm chuyên dụng EMTP để phân tích lưới và tạo mẫu huấn
luyện cho mạng nơ – ron.
- Xây dựng hệ thống kiểm chứng kết quả nhận dạng sự cố.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo Quyết định số 2057/QĐ-ĐHCN ngày
02/10/2018 về việc giao đề tài và cử người hướng dẫn luận văn thạc sĩ của Hiệu
trưởng Trường Đại học Cơng nghiệp Tp. Hồ Chí Minh.
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/04/2019
IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Nguyễn Tấn Lũy.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

tháng

năm 2019

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian và quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ với một sự thử thách lớn, địi
hỏi sự kiên trì và tập trung cao độ. Tơi thực sự vinh hạnh với kết quả đạt được trong
đề tài nghiên cứu của mình. Những kết quả đạt được khơng chỉ bởi nỗ lực cá nhân,
mà cịn bởi sự hỗ trợ và giúp đỡ của các thầy hướng dẫn, nhà trường, bộ mơn, đồng
nghiệp và gia đình. Tơi muốn bày tỏ tình cảm của mình đến với họ. Trước hết, tôi

xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Tấn Lũy đã quan tâm hướng dẫn và
giúp đỡ tơi tận tình, khơng quản khó khăn trong suốt q trình thực hiện và hồn
thành luận án. Tơi xin trân trọng cảm ơn Khoa Cơng nghệ Điện tử, phịng Quản lý
Sau Đại học, Lãnh đạo Trường Đại học Công nghiệp, Lãnh đạo Công ty Truyền tải
điện 4, Thạc sĩ Vũ Đức Quang thuộc Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển_Công ty
CP Tư vấn Xây dựng điện 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình
thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn tập thể cán bộ, giảng viên Khoa Công nghệ Điện
tử – Trường Đại học Công nghiệp đã hỗ trợ về mặt tinh thần, động viên tơi trong
suốt q trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả
những người bạn của tôi, những người luôn chia sẻ và cận kề tơi trong những lúc
khó khăn. Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn vơ hạn đối với người thân, gia đình
đã ln bên cạnh ủng hộ, giúp đỡ tôi suốt chặng đường học tập vừa qua.

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hệ thống lưới điện truyền tải (HTĐ) đóng vai trị như là xương sống và rất quan
trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia, nó là một trong những cơ sở hạ
tầng liên quan đến an ninh quốc gia và mang tính quyết định quan trọng của nền
kinh tế quốc dân. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về cung cấp điện làm cho
HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy mơ, phức tạp trong tính tốn thiết kế, vận
hành nên HTĐ cần được vận hành ổn định, tin cậy. Hiện nay, các HTĐ rất “nhạy
cảm” với các sự cố có thể xảy ra, đặc biệt cần tránh tối đa sự cố tan rã lưới điện cao
áp, siêu cao áp. Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với những hậu quả to
lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Việt Nam không loại trừ vấn đề
này từ sự cố đường dây 500kV Di Linh – Tân Định vào ngày 22/5/2013 gây rã lưới
toàn bộ lưới điện khu vực miền Nam. Chính vì vậy, đề tài này chủ yếu tập trung vào
nghiên cứu nhận dạng loại sự cố và định vị điểm xảy ra sự cố chính xác nhất có thể
trên đường dây truyền tải điện nhằm mục đích phát hiện, cách ly và xác định chính

xác vị trí sự cố càng nhanh càng tốt, giúp cho việc khắc phục sự cố nhanh, khơi
phục lại chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, giảm thiệt hại về kinh tế và
nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải.
Đề tài nghiên cứu và phát triển một phương pháp sử dụng mạng thần kinh nhân tạo
MLP (MultiLayer Perceptron) với giải thuật Levenberg-Marquardt (Trainlm) huấn
luyện cho mạng thần kinh nhân tạo, kết hợp ứng dụng phần mềm chuyên dụng
EMTP dựa trên các số liệu vận hành thực tế trên lưới điện truyền tải để mô phỏng
và tạo tập mẫu tin cậy để nhận dạng chính xác và gần với thực tế nhất.
Việc nghiên cứu đề tài góp phần phát triển phương pháp nhận dạng mới và đặc biệt
tính hiệu quả trong xác định vị trí sự cố trên lưới điện so với khả năng định vị sự cố
của các rơ le truyền thống hiện nay. Góp phần đảm bảo an toàn, tin cậy cho vận
hành của lưới truyền tải điện quốc gia, đảm bảo truyền tải điện an tồn, ổn định cho
các hoạt động kinh tế, chính trị, xã hội, an ninh, quốc phòng và thị trường điện Việt
Nam.

ii


ABSTRACT
The transmission grid system acts as a backbone and is very important for the
development of each country, it is one of the national security and infrastructure
related important decision of the national economy. Because the economic
development and the pressure of power supply making the power system become
more and more large in scale and complicated in design and operation calculations,
the power system should be operated stably and reliably. Currently, power systems
are very "sensitive" to possible incidents, especially to avoid the disintegration of
high-voltage and super-high-voltage power grids. Some recent incidents of
disbanding in the world with great consequences are vivid examples of this thesis.
Vietnam does not exclude this problem from the incident of 500kV Di Linh - Tan
Dinh line on May 22, 2013, disrupting the entire grid of the southern region.

Therefore, this topic mainly focuses on identifying the type of incident and locating
the point of incident occurrence as accurately as possible on the transmission line in
order to detect, isolate and identify locate the incident as quickly as possible, help to
solve the problem quickly, restore the normal working mode of the electrical
system, reduce economic losses and improve the reliability of power supply for
load.
The research and development of a method of using artificial neural network MLP
(MultiLayer Perceptron) with Levenberg-Marquardt algorithm (Trainlm) training
for artificial neural networks, combining application of specialized EMTP software
based on the actual operation data on the transmission grid to simulate and create a
reliable sample set to accurately identify and close to reality.
The research of this topic contributes to the development of new identification
methods and especially the effectiveness in determining the location of incidents on
the grid compared with the ability to locate incidents of the traditional relays.
Contributing to ensuring the safety and reliability of the operation of the national
power transmission network, ensuring safe and stable transmission of electricity for
economic, political, social, security, defense and urban activities Vietnamese
electricity market.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên
cứu, số liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu,
thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo, các trang web và thực
hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Học viên


Nguyễn Văn Tâm

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC

................................................................................................................... v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... xi
MỞ ĐẦU

................................................................................................................... 1

1.

Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 1

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................... 2

4.


Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................ 2

5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ............................................................................... 3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ............................... 4

1.1

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu..................................................................... 4

1.2

Các nghiên cứu trước đây .................................................................................. 4

1.2.1

Phương pháp mạng nơ - ron nhân tạo để bảo vệ khoảng cách cho đường
dây truyền tải ............................................................................................... 4

1.2.2

Thuật toán mạng nơ - ron cải tiến cho việc phân loại sự cố trên đường dây
truyền tải ...................................................................................................... 5

1.2.3


Phương pháp Nơ - ron mờ (Fuzzy neural) để phân loại sự cố cho bảo vệ
đường dây truyền tải .................................................................................... 6

1.2.4

Áp dụng nhận dạng mẫu trong bảo vệ khoảng cách.................................... 7

1.2.5

Xác định vị trí sự cố trong hệ thống điện bằng phương pháp nhận dạng
mẫu .............................................................................................................. 8

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................... 10

2.1

Hệ thống điện và khái niệm bảo vệ rơle .......................................................... 10

2.2

Các dạng sự cố thường gặp trong hệ thống lưới điện truyền tải, hạn chế của
các rơle chỉ vị trí sự cố ..................................................................................... 14

2.2.1
2.3

Rơle truyền thống bảo vệ cho đường dây truyền tải ................................. 26


Các dạng rơle bảo vệ ........................................................................................ 28

v


2.3.1

Bảo vệ dịng điện cực đại (kí hiệu 51) ....................................................... 28

2.3.2

Bảo vệ dịng điện cắt nhanh (kí hiệu 50) ................................................... 29

2.3.3

Bảo vệ khoảng cách (kí hiệu 21) ............................................................... 29

2.3.4

Bảo vệ dịng có hướng (kí hiệu 67) ........................................................... 30

2.3.5

Bảo vệ dịng thứ tự nghịch (kí hiệu 46) ..................................................... 30

2.3.6

Bảo vệ quá nhiệt (kí hiệu 49) .................................................................... 30


2.3.7

Bảo vệ tự động đóng trở lại (kí hiệu 79) ................................................... 31

2.3.8

Bảo vệ tần số cao và vơ tuyến (kí hiệu 85) ............................................... 31

2.3.9

Bảo vệ so lệch dịng điện (kí hiệu 87) ....................................................... 31

2.4

Các khái niệm cơ bản về nhận dạng mẫu......................................................... 32

2.4.1

Chức năng hệ thống nhận dạng mẫu ......................................................... 32

2.4.1.1 Phương pháp thống kê (Statistical approach)........................................ 33
2.4.1.2 Phương pháp tiếp cận cú pháp (Syntactic approach) ........................... 33
2.4.1.3 Phương pháp mẫu phù hợp (Template matching) ................................ 34
2.4.1.4 Phương pháp mạng nơ – ron ................................................................ 35
2.4.2

Mẫu huấn luyện và mẫu kiểm tra .............................................................. 36

2.4.2.1 Mẫu huấn luyện ..................................................................................... 36
2.4.2.2 Mẫu kiểm tra ......................................................................................... 37

2.4.3
2.5

Thông số đặc trưng của mẫu thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài .......... 37

Mạng nơ - ron................................................................................................... 38

2.5.1

Cấu tạo mạng nơ – ron đa lớp (Multilayer Perceptron) ............................ 38

2.5.2

Học tập không có giám sát ....................................................................... 45

2.5.3

Học tập có giám sát ................................................................................... 47

CHƯƠNG 3
3.2

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................... 49

Phân tích và thiết kế mạng thần kinh nhân tạo ................................................ 49

3.2.1

Thuật toán mạng nơ - ron .......................................................................... 49


3.2.2

Thiết kế mạng nơ – ron.............................................................................. 57

3.2.2.1 Giới thiệu hệ thống lưới điện truyền tải do Công ty Truyền tải điện 4
quản lý vận hành ................................................................................... 57

vi


3.2.2.2 Phân tích nguồn và phụ tải để chạy chương trình mơ phỏng EMTP .... 58
3.2.3

Tập dữ liệu huấn luyện và mục tiêu .......................................................... 63

3.2.4

Huấn luyện mạng bằng phần mềm Matlab ................................................ 66

3.2.5

Giải pháp phần cứng đề xuất ..................................................................... 67

CHƯƠNG 4

NHẬN DẠNG VÀ ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY ........ 68

4.1

Kết quả huấn luyện .......................................................................................... 69


4.2

Nhận xét kết quả .............................................................................................. 69

4.3

Kiểm tra nhận dạng sự cố trên đường dây ....................................................... 75

4.4

Ứng dụng chương trình nhận dạng trên Matlab GUI (Graphical User Interface)
để thao tác ........................................................................................................ 92

4.5

Tóm tắt ............................................................................................................. 97

4.5.1

Áp dụng kết quả nghiên cứu ...................................................................... 97

4.5.1.1 Nhiệm vụ và kết quả đạt được ............................................................... 97
4.5.1.2

Hướng phát triển của luận văn ............................................................. 98

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 99
1.


Kết luận ............................................................................................................ 99

2.

Kiến nghị .......................................................................................................... 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 101
PHỤ LỤC 1: Kết quả nhận dạng sự cố tại 10 vị trí khảo sát trên đường dây 220kV Cát
Lái – Thủ Đức. ...................................................................................... 103
PHỤ LỤC 2: Sơ lược về phần mềm EMTP và các kết quả chạy trào lưu công suất, mô
phỏng ngắn mạch đường dây truyền tải điện ........................................ 136
PHỤ LỤC 3: Đoạn chương trình lập trình trên ứng dụng GUI .................................. 145
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN ........................................................... 156

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Một cụm hệ thống điện khu vực phía nam do Cty Truyền tải điện 4 quản lý
vận hành ......................................................................................................... 11
Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống rơle bảo vệ hiện hữu tại 1 trạm biến áp 220kV do Công ty
Truyền tải điện 4 quản lý vận hành................................................................ 12
Hình 2.3 Sơ đồ 1 sợi cấu hình hệ thống rơle bảo vệ cơ bản của một đường dây 220kV
hiện nay .......................................................................................................... 13
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý xác định vị trí sự cố dựa vào tính tốn tổng trở cho đường
dây 1 nguồn cấp ............................................................................................ 15
Hình 2.5 Đặc tính tác động loại MhO của rơle F21 và điểm làm việc của rơle ........... 16
Hình 2.6 Đường dây truyền tải với các thiết bị phát hiện sự cố, đo lường và điều khiển
........................................................................................................................ 26
Hình 2.7 Ví dụ các dấu hiệu mơ tả theo phân tích cú pháp .......................................... 34

Hình 2.8 Minh hoạ cho phương pháp nhận dạng mẫu phù hợp .................................... 34
Hình 2.9 Ví dụ cho mạng nơ–ron (mạng thần kinh truyền thẳng nhiều lớp) ................ 35
Hình 2.10 Minh hoạ cho một nơ – ron .......................................................................... 38
Hình 2.11 Mơ hình của một nơ – ron ............................................................................ 39
Hình 2.12 Hàm ngưỡng ................................................................................................. 40
Hình 2.13 Hàm tuyến tính ............................................................................................ 40
Hình 2.14 Hàm logistic (sigmoid) ................................................................................. 41
Hình 2.15 (a) Cấu trúc mạng MLP bắt chước (b) cấu trúc của một hệ thống thần kinh
đơn giản.......................................................................................................... 42
Hình 2.16 Cấu trúc mạng nơ – ron nhiều lớp MLP ................................................... 43
Hình 2.17 Giai đoạn khởi tạo của học tập khơng có giám sát ..................................... 46
Hình 2.18 Giai đoạn ổn định của học tập khơng có giám sát ....................................... 47
Hình 2.19 Học tập có giám sát ..................................................................................... 48
Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn huấn luyện mạng đa lớp với phương pháp TRAINLM ... 52
Hình 3.2 Huấn luyện mạng nơ-ron bằng giải thuật Levenberg-Marquardt .................. 53
Hình 3.3 Biểu đồ kết quả huấn luyện mạng nơ – ron .................................................. 54

viii


Hình 3.4 Biểu đồ hồi qui sau khi huấn luyện mạng nơ – ron ....................................... 55
Hình 3.5 Sơ đồ một cụm khu vực lưới điện 220kV thực tế do Công ty Truyền tải điện
4 quản lý vận hành ......................................................................................... 57
Hình 3.6 Sơ đồ phân bố công suất giữa các nút điện áp ............................................... 61
Hình 3.7 Thơng số tải của đường dây 220kV Cát Lái – Thủ Đức sau khi chạy phân bố
cơng suất ........................................................................................................ 62
Hình 3.8 Sơ đồ phần cứng đề xuất cho rơle bảo vệ ...................................................... 67
Hình 4.1 Cấu trúc tổng quát mạng nơ - ron lựa chọn ................................................... 71
Hình 4.2 Kết quả huấn luyện mạng nơ- ron với 23 nút ẩn ............................................ 72
Hình 4.3 Biểu đồ hiệu suất đánh giá ............................................................................. 73

Hình 4.4 Biểu đồ kết quả độ dốc ................................................................................... 73
Hình 4.5 Biểu đồ sai số ................................................................................................. 74
Hình 4.6 Biểu đồ hồi qui ............................................................................................... 75
Hình 4.7 Đồ thị kết quả nhận dạng 8 dạng sự cố (50% tải) .......................................... 86
Hình 4.8 Đồ thị kết quả nhận dạng 8 dạng sự cố (100% tải) ........................................ 87
Hình 4.9 Đồ thị kết quả nhận dạng 8 dạng sự cố (120% tải) ........................................ 88
Hình 4.10 Đồ thị sai số vị trí sự cố AN (50% tải)......................................................... 89
Hình 4.11 Đồ thị sai số vị trí sự cố AN (100% tải)....................................................... 90
Hình 4.12 Đồ thị sai số vị trí sự cố AN (120% tải)....................................................... 91
Hình 4.13 Giao diện thao tác khởi động GUI ............................................................... 92
Hình 4.14 Giao diện thao tác các chế độ tay và tự động, hiển thị kết quả khi chạy
chương trình kiểm chứng ............................................................................... 93
Hình 4.15 Giao diện hiển thị kết quả khi chạy chế độ tay ............................................ 94
Hình 4.16 Giao diện hiển thị kết quả khi chạy chế tự động .......................................... 95
Hình 4.17 Sơ đồ tổng quát hệ thống @Station ............................................................. 96

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thống kê một số sự cố năm 2017, 2018 và sai lệch của chức năng xác định vị
trí sự cố trong rơle .......................................................................................... 18
Bảng 3.1 Trào lưu cơng suất và dịng điện trên các xuất tuyến .................................... 59
Bảng 3.2 Giá trị công suất đến và đi tại các nút từ các xuất tuyến thuộc phạm vi khu
vực lưới điện nghiên cứu ............................................................................... 60
Bảng 3.3 Cấu trúc tập dữ liệu input .............................................................................. 65
Bảng 3.4 Cấu trúc tập dữ liệu target ............................................................................. 65
Bảng 4.1 Các kết quả huấn luyện mạng nơ – ron ......................................................... 69
Bảng 4.2 Các trường hợp và vị trí sự cố kiểm chứng thuật toán nhận dạng ................. 76
Bảng 4.3 Kết quả nhận dạng trường hợp sự cố AN (tải đường dây 50%) .................... 80

Bảng 4.4 Kết quả nhận dạng trường hợp sự cố BN (tải đường dây 100%) .................. 83

x


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog-to-digital converter (bộ chuyển đổi tín hiệu (điện) tương tự
sang số)

ANN

Artificial Neural Networks (mạng nơ - ron nhân tạo)

CB

Circurt Break (máy cắt điện)

Cty TTĐ4

Công ty Truyền tải điện 4

CT

Current transformer (biến dòng điện)

DC

Direct Current (dòng điện một chiều)


EMTP

Electromagnetic Transients Programme (chương trình quá độ điện từ)

F21

Rơle bảo vệ khoảng cách

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers (viện kỹ sư điện và
điện tử)

MSE

Mean-Square Error (sai số trung bình bình phương)

MLP

Multilayer Perceptron (mạng nơ - ron truyền thẳng nhiều lớp)

VT

Voltage transformer (biến điện áp)

TRAINLM Giải thuật Levenberg-Marquardt.

xi



MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Quá trình vận hành lưới điện truyền tải nói chung và đường dây truyền tải điện nói
riêng sẽ gặp các sự cố như: Sét đánh, ngắn mạch do yếu tố khách quan hoặc chủ
quan, đứt dây (sự cố rất khó xảy ra), chạm đất, sự cố khi các thiết bị hư hỏng, hoạt
động sai của thiết bị hoặc thao tác sai từ người vận hành, tình trạng quá tải và sự lão
hóa của thiết bị... Quá trình nhận dạng, phát hiện, cách ly và xác định chính xác vị
trí sự cố càng nhanh càng có lợi, giúp cho việc khôi phục lại chế độ làm việc bình
thường của hệ thống điện nhanh chóng, giảm thiệt hại về kinh tế và nâng cao được
độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải là điều hết sức cần thiết trong thời đại công
nghiệp hiện đại không ngừng phát triển với đòi hỏi chất lượng điện năng ngày càng
cao.
Luận văn này nhằm giải quyết bài toán nhận dạng các dạng sự cố thường gặp trong
hệ thống truyền tải điện với khảo sát thực tế từ đường dây 220kV do Cty TTĐ4
đang quản lý vận hành. Ngoài ra, luận văn giải quyết vấn đề về sai số định vị vị trí
sự cố trên lưới điện hiện nay với độ chính xác sau khi định vị sự cố rất khả quan.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn này đặt ra các mục tiêu nghiên cứu sau:
a. Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ đường dây bằng hệ thống bảo vệ rơle.
b. Nghiên cứu phương pháp nhận dạng sự cố bằng các thuật toán nhận dạng.
c. Đề xuất phương pháp nhận dạng sự cố đường dây, áp dụng trên số liệu vận
hành, các thiết bị hiện hữu trên lưới điện của Cty TTĐ4 và đánh giá kết quả sau
khi thực hiện.

1


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp nhận dạng sự cố trên tuyến đường dây truyền tải điện

220kV bằng các thuật toán nhận dạng trên một cụm đường dây truyền tải điện thực
tế hiện hữu do Cty TTĐ4 quản lý.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn như sau:
a. Tìm hiểu các bài báo về nhận dạng sự cố trong hệ thống điện từ trước đến nay ở
trong nước và ngoài nước.
b. Đánh giá các phương pháp.
c. Đề xuất một phương pháp nhận dạng sự cố trên hệ thống điện.
d. Kiểm chứng trên một cụm lưới điện thực tế do Cty TTĐ4 quản lý, thu thập các
thông số đường dây và các thông số vận hành thực tế lưới điện do Cty TTĐ4 quản
lý để kiểm tra kết quả, đánh giá độ tin cậy của phương pháp nhận dạng.
e. Đánh giá lại phương pháp thực hiện và khả năng áp dụng phương pháp trong thực
tế. Đề xuất hướng nghiên cứu phát triển đề tài nhằm đề xuất ứng dụng trong thực tế
của lưới điện đang vận hành tại đơn vị đang công tác.
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn như sau:
a. Phân tích, tổng hợp tài liệu có liên quan đến đề tài về nhận dạng mẫu, cơ sở lý
thuyết liên quan đến đề tài nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu được công bố trong
và ngồi nước.
b. Tìm hiểu nghiên cứu, xây dựng phương pháp nhận dạng sự cố dựa trên các
phương pháp cổ điển, hiện đại và thông minh.
c. Thiết lập, mô phỏng cụm lưới điện thực tế bằng cách sử dụng phần mềm EMTP
chuyên dụng trong ngành điện để tạo các tập dữ liệu mẫu và dùng phần mềm
Matlab để huấn luyện mạng nơ – ron.

2


5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Kiểm tra thực tế khả năng ứng dụng của phương pháp nhận dạng dựa trên các thông
số đường dây và các thông số vận hành thực tế của một cụm lưới điện do Cty TTĐ4

quản lý. Kiểm chứng, đánh giá độ tin cậy qua các phương pháp nhận dạng khác
nhau dựa trên các kết quả đạt được, từ đó đề xuất khả năng áp dụng phương pháp
tối ưu nhất vào thực tế của lưới điện đang vận hành tại đơn vị đang công tác. Đề
xuất hướng nghiên cứu phát triển đề tài nhằm đề xuất ứng dụng nghiên cứu rộng rãi
cho lưới điện Việt Nam.

3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Trong hệ thống lưới điện truyền tải, trước đây và hiện nay công nghệ đang giải
quyết các vấn đề này bằng cách sử dụng các loại rơle truyền thống như rơle bảo vệ
quá dòng, bảo vệ khoảng cách, bảo vệ quá áp – thấp áp, bảo vệ tần số, bảo vệ so
lệch dọc… Tất cả những nguyên tắc bảo vệ này dựa trên sự so sánh giữa các phép
đo với kết quả tính tốn cài đặt được xác định trước cho các rơle bảo vệ (thông
thường kết quả được tính tốn từ trị số thực nghiệm thông qua các thông số thiết bị
được trang bị trên lưới truyền tải được biết trước) trong những điều kiện vận hành
lúc bình thường và khi sự cố. Do đó, nếu các trạng thái của hệ thống điện thực tế bị
sai lệch so với dự đoán (các yếu tố sai lệch do trong q trình vận hành, độ khơng
chính xác của thiết bị, hoặc lưới điện dao động...), thì các phép đo và cài đặt được
xác định cho rơle truyền thống sẽ có những hạn chế riêng trong việc phân loại các
trạng thái sự cố, và việc sử dụng các rơle bảo vệ truyền thống có thể có một số
trường hợp tác động khơng chính xác dẫn đến hư hỏng cho thiết bị và mất độ tin
cậy, ổn định cho lưới điện. Hơn nữa, việc vận hành và phối hợp giữa các rơle bảo
vệ trong một hệ thống sao cho chính xác là điều rất phức tạp, cũng như vận hành
quá nhiều rơle sẽ làm giảm độ tin cậy, công tác quản lý và bảo dưỡng vận hành khó

khăn. Vì vậy cần có một ngun tắc bảo vệ chính xác hơn, có tính chọn lọc và độ
tin cậy cao hơn cho rơle, để rơle có khả năng phân loại chuẩn xác các sự cố dưới
các trạng thái vận hành của hệ thống lúc bình thường và khi gặp sự cố.
1.2 Các nghiên cứu trước đây
1.2.1 Phương pháp mạng nơ - ron nhân tạo để bảo vệ khoảng cách cho đường
dây truyền tải
Rơle bảo vệ khoảng cách (F21) để bảo vệ cho 02 đầu đường dây truyền tải thường
được thiết kế dựa trên cơ sở của những thiết lập cố định (các thiết lập của những trị
số theo tính tốn thực nghiệm, từ đó đưa ra các giá trị cài đặt cho rơle) [1]. Phạm vi
bảo vệ của các rơle như vậy sẽ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi bởi các điều kiện mạng

4


điện (đặc biệt thành phần DC làm thay đổi dạng sóng dịng điện). Việc thực hiện
nhận dạng mẫu cho chẩn đốn hệ thống điện có thể cung cấp một cải tiến đáng kể
trong lĩnh vực bảo vệ. Nghiên cứu này chứng minh cho việc sử dụng mạng nơ - ron
nhân tạo như một phương pháp phân loại mẫu cho hoạt động của rơle khoảng cách.
Chương trình sử dụng biên độ của điện áp và dòng điện ba pha như là các ngõ vào.
Hiệu quả được cải thiện với việc sử dụng mạng nơ - ron nhân tạo làm cho rơle hoạt
động chính xác hơn, khi phải đối mặt với các điều kiện sự cố khác nhau cũng như
sự thay đổi cấu trúc mạng điện.
Việc sử dụng mạng nơ - ron nhân tạo như một phương pháp phân loại mẫu để mô
phỏng rơle khoảng cách đưa ra một kết quả rất đáng khích lệ. Rơle sử dụng ANN có
thể cung cấp một hoạt động nhanh và chính xác, giữ được phạm vi chính xác khi
đối mặt với các điều kiện sự cố khác nhau trong hệ thống điện (ngay cả khi có sự
hiện diện của thành phần DC làm dịch chuyển dạng sóng dịng điện), cũng như sự
thay đổi của mạng điện. Đây là một điểm cải tiến đáng kể so với các loại rơle thơng
thường. Do đó việc sử dụng ANN có thể làm cho nó mở rộng phạm vi bảo vệ của
vùng thứ nhất (rơle bảo vệ khoảng cách làm việc theo từng vùng khoảng cách), tăng

cường bảo vệ hệ thống.
Q trình này có liên quan đến việc huấn luyện và kiểm tra các cấu hình mạng khác
nhau cho đến khi đạt được kết quả mong muốn. Công cụ này sẽ mở ra một chiều
hướng mới trong nghiên cứu rơle, cho phép giải quyết một số vấn đề hạn chế liên
quan đến bảo vệ khoảng cách trên đường dây truyền tải.
1.2.2 Thuật toán mạng nơ - ron cải tiến cho việc phân loại sự cố trên đường dây
truyền tải
Nghiên cứu này giới thiệu một khái niệm mới của trí thơng minh nhân tạo dựa trên
thuật tốn để phân loại các sự cố trong mạng điện [2]. Việc phân loại này xác định
chính xác loại sự cố và vùng bị sự cố. Thuật toán được dựa trên một dạng đặc biệt
của mạng nơ - ron được phát triển để giải quyết một tập hợp lớn các dữ liệu ngõ
vào. Một cải tiến của thuật toán được đề xuất bằng cách thực hiện các bước khác
nhau của tiền xử lí tín hiệu ngõ vào, thông qua việc lựa chọn các thông số cho bộ

5


lọc tương tự, các giá trị cho cửa sổ dữ liệu và tần số lấy mẫu. Ngoài ra, một kỹ thuật
cải tiến cho việc phân loại các mẫu kiểm tra được thảo luận và những ưu điểm chính
so với việc sử dụng phân loại lân cận gần nhất trước đây đã được trình bày.
Nghiên cứu này đưa ra các hướng dẫn có thể để cải thiện thuật tốn mạng nơ - ron
đang có cho việc phân loại các sự cố trên đường dây truyền tải. Thuật toán này đã
được sử dụng trước đó trong nỗ lực nhằm thay thế các rơle khoảng cách bằng các
loại rơle mới mà không sử dụng các cài đặt truyền thống. Thuật toán là một dạng
đặc biệt của giải thuật phân cụm. Nó dịch chuyển các mẫu ngõ vào trong mẫu ban
đầu. Cấu trúc của các cụm đại diện cho việc phân loại khác nhau của tập dữ liệu ngõ
vào. Thuật toán rất linh hoạt và dễ dàng cho phép thay đổi và nâng cấp.
Điều kiện của các tín hiệu ngõ vào cũng như việc lựa chọn các giá trị cho bộ lọc
tương tự, cửa sổ dữ liệu để lấy mẫu, và tần số lấy mẫu đóng vai trị quan trọng trong
thuật tốn trong suốt q trình huấn luyện và kiểm tra. Các khía cạnh khác nhau của

yếu tố này được minh hoạ thông qua một số ví dụ. Hơn nữa, việc phân loại các mẫu
kiểm tra được phân tích thơng qua việc so sánh của một phương pháp phân loại lân
cận gần nhất K được sử dụng cho đến nay, và cách tiếp cận mờ của nó.
Phương pháp đề xuất và những cải tiến của thuật tốn mạng nơ - ron có thể phân
loại tốt hơn loại sự cố và vùng bị sự cố. Kết hợp giữa việc sử dụng mạng nơ - ron và
kỹ thuật mờ trong cùng một thuật toán dẫn đến suy luận phức tạp để cải thiện khả
năng phân loại sự kiện cho việc nhận dạng một loạt các sự kiện có thể xảy ra trong
mạng điện.
1.2.3 Phương pháp Nơ - ron mờ (Fuzzy neural) để phân loại sự cố cho bảo vệ
đường dây truyền tải
Nghiên cứu này giới thiệu một phương pháp mới để phát hiện và phân loại sự cố
thời gian thực trong hệ thống truyền tải bằng việc sử dụng kỹ thuật nơ - ron mờ [3].
Việc tích hợp kỹ thuật mạng nơ - ron nâng cao khả năng học tập của hệ thống logic
mờ. Các thành phần đối xứng trong sự kết hợp với dòng điện ba pha được dùng để
phát hiện loại sự cố, chẳng hạn như sự cố một pha chạm đất, hai pha chạm nhau, hai
pha chạm đất và ba pha chạm đất, và sau đó xác định đường dây bị lỗi. Các kết quả

6